HIF-1α/VEGF和内质网应激PERK通路在慢性牙周炎低氧损伤中的交互作用及其机制研究

Endoplasmic reticulum stress is involved in the cellular response to microenvironment hypoxia. Interplay between stress signals can regulate cell fates depending on various cell types. Potential connections and different effects are emerging from the interact between hypoxia-inducible factor-1α/ vascular endothelial growth factor (HIF-1α/VEGF) and PERK-eIF2α-ATF4 pathway. Under low oxygen tension or hypoxia in the damage and repair processes of chronic periodontitis, high expression of the relevant transcription factors were triggered in the inflamed periodontal tissues. However, how the two transcription factors interact to determine periodontal ligament fibroblasts (PDLF) fates and the precise mechanisms are less well understood. Our previous studies indicated that hypoxia could induce PDLF apoptosis by up-regulated the HIF-1α expression. In the preliminary experiment, the expression of VEGF, the vascular volume and density of the mandibular were highly increased in the 3 weeks PERK+/- mice. Based on preliminary results and the developments in the fields，the PDLF activates the PERK signal via the activation of HIF genes, and ATF4/VEGF for cell survival and adaptation to the hypoxia condition, presumably. Here, we developed ER stress cell model by utilizing PDLF and PERK+/- mice model of chronic periodontitis to characterize crosstalk between the HIF-1 and PERK pathways, and to explain the cellular responses to hypoxia at the multiple biochemical and molecular levels. This work provides new insight into the exact mechanism for PERK-eIF2α-ATF4 signal of the ER stress in the pathogenesis of chronic periodontitis and in periodontal regeneration．

内质网应激是细胞应对低氧微环境改变的重要反应，其中PERK-eIF2α-ATF4与HIF-1α/VEGF的交互作用在不同类型细胞的功能调节中显示多样性。在慢性牙周炎低氧状态下，这两个通路的核心蛋白在组织中特异性高表达，但是两者之间的交互作用对牙周膜成纤维细胞( PDLF)生物学行为的影响尚未明确，精细机制也有待阐明。申请人前期研究发现：低氧促进HIF-1α在PDLF 中表达，诱导细胞凋亡；PERK+/-鼠下颌骨的血管容积和密度增加，VEGF的表达增加。据此推测： PERK和HIF-1α通路的交互作用，通过ATF4/VEGF介导，调控PDLF应对低氧损伤。本课题拟建立PDLF内质网应激细胞模型和PERK+/-鼠慢性牙周炎模型，多层次实验解析低氧对PDLF生物学行为的影响，探讨内质网应激参与调控慢性牙周炎进展的精细机制，以期阐明慢性牙周炎的发病机制，并为组织再生修复提供新的治疗策略。

内质网应激是细胞应对低氧微环境改变的重要反应，在慢性牙周炎低氧状态下，这两个通.路的核心蛋白在组织中特异性高表达，但是两者之间的交互作用尚待阐明。本课题通过比较不同程度的慢性牙周炎病变组织中HIF-1α/VEGF和 PERK-eIF2α-ATF4表达的差异，明确VEGFA的表达与牙周临床参数存在相关性，提示 VEGFA可能与牙周炎的预后相关。组合使用能诱发炎症反应、内质网应激和低氧应激的药物 P.g-LPS、衣霉素（Tunicamycin， TM）和CoCl2，构建成骨细胞慢性牙周炎模型和内质网-低氧应激模型，明确内质网应激经由PERK-eIF2α-ATF4 信号通路介导参与慢性牙周炎进展的调控，并与HIF-1α/VEGF信号通路共同激活，其中ATF4和 VEGFA 的表达均稳定地保持在较高水平，初步确认ATF4和 VEGFA为HIF-1α/VEGF和 PERK-eIF2α-ATF4交互作用的靶点。在衣霉素诱导的成骨细胞内质网应激模型中，联合应用虫草素（3’-脱氧腺苷，cordycepin）及其稳定剂染料木素（genistein），抑制 HIF-1α/VEGF 信号通路，探讨成骨细胞增殖、凋亡、迁移和成骨向分化的变化及机制。发现虫草素能明显缓解TM抑制的成骨细胞增殖，恢复TM预处理所抑制的成骨细胞迁移能力，有效地促进细胞的成骨向分化，并抑制炎症因子NO的释放。同时用 CRISPR/Cas9技术，获得BALB/cJ背景PERK+/-杂合小鼠，成功构建PERK+/-鼠慢性牙周炎模型，并对虫草素全身给药后牙槽骨破坏程度的变化进行评价，探讨虫草素在牙周炎合并内质网应激损伤中的保护作用。综上所述，本研究探讨了低氧应激和内质网应激在牙周炎发生发展过程中的交互作用，为进一步探讨低氧损伤调控慢性牙周炎进展的具体作用模式提供了新的视角，为研究虫草素作为牙周炎控制和治疗潜在药物的可能性提供有益的实验依据。